Низковольтный преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием Российский патент 2023 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразователям постоянного напряжения в постоянное, и может быть использовано в системах вторичного электропитания для преобразования, регулирования и стабилизации постоянного выходного напряжения, гальванически отделенного от входного постоянного напряжения и уменьшения статических и динамических потерь мощности.

Известны преобразователи постоянного напряжения с активным клампированием [1].

Недостатком известного преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием являются сложности получения низкого выходного напряжения, составляющего единицы вольт, возможности включения силового ключа на нулевое значение тока, что приводит к увеличению динамических потерь при его включении и уменьшение статических потерь при низком уровне выходного напряжения из-за напряжений на выпрямительных диодах в проводящем состоянии, соизмеримых с уровнем выходного напряжения.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием приведенный в [1], содержащий первичную обмотку трансформатора, подключенную через силовой регулирующий ключ к зажимам входного источника постоянного напряжения, параллельно которой подключен клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных конденсатора и дополнительного ключа, трансформатор, осуществляющий электрическую развязку и получение требуемого уровня постоянного выходного напряжения, вторичные обмотки, подключенные через выпрямительные диоды ко входу Г-образного LC-фильтра, к выходу которого подключена нагрузка.

Цель изобретения - устранение указанных недостатков.

Поставленная цель достигается тем, что в низковольтном преобразователе постоянного напряжения с активным клампированием, первичная обмотка трансформатора которого через силовой регулирующий ключ подключена к зажимам входного источника постоянного напряжения, параллельно которой включен клампирующий элемент, а две вторичные обмотки с разным числом витков с последовательно включенными диодами, включены синфазно и параллельно и подключены к входным зажимам Г-образного LC-фильтра, к выходным зажимам которого подключена нагрузка.

На фиг. 1, 2 и 3 показаны принципиальные электрические схемы вариантов выполнения предлагаемого низковольтного преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием. На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема низковольтного преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием; на фиг. 2 представлена принципиальная электрическая схема низковольтного преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием с введением небольшой линейной индуктивности в цепь одной из вторичных обмоток трансформатора с большим числом витков; на фиг. 3 представлена принципиальная электрическая схема низковольтного преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием c использованием синхронных выпрямителей вместо выпрямительных диодов.

В нем (фиг. 1) начало первичной обмотки 1 трансформатора 2 соединено с положительным полюсом входного источника постоянного напряжения, а конец первичной обмотки 1 через силовой регулирующий ключ 3, реализованный в виде полевого транзистора MOSFET, подключен к отрицательному полюсу входного источника постоянного напряжения. Параллельно первичной обмотке 1 трансформатора 2 включен клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных конденсатора 4 и дополнительного ключа 5, реализованного в виде полевого транзистора MOSFET. Начало первой вторичной обмотки 6 соединено с началом второй вторичной обмотки 7. Конец первой вторичной обмотки подключен к катоду диода 8, а конец второй вторичной обмотки 7 подключен к катоду диода 9, аноды диодов 8 и 9 объединены в общую точку соединения. Общие точки начал вторичных обмоток трансформатора и общие точки соединения анодов диодов 8 и 9 подключены ко входу Г-образного LC-фильтра 10, параллельно выходным зажимам которого подключена нагрузка 11. Управляющие электроды ключей 3, 5 подключены к широтно-импульсному контроллеру 12.

Принцип действия предлагаемого низковольтного преобразователя постоянного напряжения с активным клампированием рассмотрим исходя из предположения идеальности ключевых элементов, установившегося режима работы и непрерывности изменения магнитного потока в сердечнике трансформатора 2. Обозначим через D относительную к периоду T длительность включенного состояния ключа 3. В этом случае на этапе замкнутого состояния DT ключа 3 происходит передача энергии в нагрузку через вторичную обмотку, имеющую большее число витков, допустим, что это вторичная обмотка 6. В этом случае передача энергии в нагрузку идет через прямосмещенный диод 8 вторичную обмотку 6 и Г-образный LC-фильтр, в то время как диод 9 заперт и находится под обратным смещением, равным разности напряжений на вторичных обмотках 6 и 7, т.е. (n₁-n₂)V_IN , где n₁ - есть отношение витков обмоток 6 и 1, а n₂ - есть отношение витков 7 и 1. При выключении силового регулирующего ключа 3 происходит включение дополнительного ключа 5 клампирующего элемента и на всех обмотках трансформатора происходит переполюсовка напряжений, а на первичной обмотке 1 трансформатора 2 устанавливается напряжение V_IND/(1-D) равное среднему напряжению на конденсаторе 4 клампирующего элемента. Это напряжение трансформируется во вторичные обмотки 6, 7 трансформатора 2 в виде напряжения с отрицательным знаком, что приводит к переключению тока дросселя Г-образного LC-фильтра на диод, находящийся под меньшим отрицательным напряжением, в нашем случае диод 9 поскольку число витков вторичной обмотки 7 меньше числа витков вторичной обмотки 6. На этом интервале времени (1-D)T, проводящего состояния дополнительного ключа 5 клампирующего элемента, обратное напряжение на запертом диоде 8 равно (n₁-n₂)V_IND/(1-D). Таким образом, на входе Г-образного LC-фильтра действует разнополярное напряжение равное n₁V_IN на интервале времени DT, включенного состояния регулирующего ключа 3, и отрицательное напряжение -n₂V_IND/(1-D) на интервале времени (1-D)T, включенного дополнительного ключа 5 клампирующего элемента.

Вследствие этого на нагрузке устанавливается выходное напряжение (n₁-n₂)V_IND, а ток через силовой регулирующей ключ 3 равен (n₁-n₂)I_L. Таким образом низкое выходное напряжение определяется в основном разностью коэффициентов трансформаций при любых значениях n₁ и n₂, что позволяет обеспечить хороший коэффициент связи между первичной и вторичными обмотками трансформатора 2 при значительном различии величин входного (десятки вольт) и выходного (единиц вольт) напряжений. Временная задержка передачи энергии в выходную цепь при включении силового регулирующего ключа 3 приводит к разнесению фронтов тока и напряжения на силовом регулирующем ключе 3 и снижению динамических потерь при его включении. Это достигается введением небольшой линейной индуктивности 13 последовательно с вторичной обмоткой 6 фиг. 2.

При низком выходном напряжении, которое реализуется в предлагаемом устройстве, прямые падения напряжений на диодах, находящихся в проводящемся состоянии, оказываются существенными, что влияет на коэффициент полезного действия. Для снижения этого влияния целесообразно вместо выпрямительных диодов использовать синхронные выпрямители 14, 15 реализованные на полевых транзисторах MOSFET со своей схемой управления 16 фиг. 3.

Таким образом, предлагаемый низковольтный преобразователь постоянного напряжения, по сравнению с известным устройством позволяет формировать низковольтное постоянное выходное напряжение из высокого постоянного входного напряжения с уменьшением статических и динамических потерь мощности.

1. А.с. №892614 (СССР) МКИ H02M 3/335, Однотактный регулятор постоянного напряжения, А.Г. Поликарпов, Е.Ф. Сергиенко.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразователям постоянного напряжения в постоянное, и может быть использовано в системах вторичного электропитания для преобразования, регулирования и стабилизации постоянного выходного напряжения, гальванически отделенного от входного постоянного напряжения и уменьшения статических и динамических потерь. Техническим результатом заявленного изобретения является формирование низковольтного постоянного выходного напряжения из высоковольтного постоянного входного напряжения и уменьшение динамических и статических потерь. В устройстве начало первичной обмотки 1 трансформатора 2 соединено с положительным полюсом входного источника постоянного напряжения, а конец первичной обмотки 1 через силовой регулирующий ключ 3, реализованный в виде полевого транзистора MOSFET, подключен к отрицательному полюсу входного источника постоянного напряжения. Параллельно первичной обмотке 1 трансформатора 2 включен клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных конденсатора 4 и дополнительного ключа 5, реализованного в виде полевого транзистора MOSFET. Начало первой вторичной обмотки 6 соединено с началом второй вторичной обмотки 7. Конец первой вторичной обмотки подключен к катоду диода 8, а конец второй вторичной обмотки 7 подключен к катоду диода 9, аноды диодов 8 и 9 объединены в общую точку соединения. Общие точки начал вторичных обмоток трансформатора и общие точки соединения анодов диодов 8 и 9 подключены ко входу Г-образного LC-фильтра 10, параллельно выходным зажимам которого подключена нагрузка 11. Управляющие электроды ключей 3, 5 подключены к широтно-импульсному контроллеру 12. Одна из вторичных обмоток трансформатора имеет большее число витков, чем другая. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Низковольтный преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием, содержащий трансформатор, имеющий первичную обмотку, подключенную через силовой регулирующий ключ к выводам источника постоянного входного напряжения, параллельно которой включен клампирующий элемент, составленный из последовательно соединенных конденсатора и дополнительного ключа, вторичные обмотки с выпрямительными элементами, подключенные к Г-образному LC-фильтру, отличающийся тем, что две вторичные обмотки трансформатора с последовательно включенными выпрямительными элементами включены синфазно и параллельно и подключены к входным зажимам Г-образного LC-фильтра, к выходным зажимам которого подключена нагрузка, при этом одна из вторичных обмоток трансформатора имеет большее число витков, чем другая.

2. Низковольтный преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием по п.1, отличающийся тем, что выпрямительные элементы выполнены в виде диодов.

3. Низковольтный преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием по п.1, отличающийся тем, что последовательно с одной из обмоток трансформатора включена линейная индуктивность.

4. Низковольтный преобразователь постоянного напряжения с активным клампированием по п.1, отличающийся тем, что выпрямительные элементы выполнены в виде полевых транзисторов MOSFET со своей схемой управления.